基于ZigBee技術(shù)的開放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉恒校 王慶泉 何鵬飛 項(xiàng)偉凱

（嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

近年來(lái)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生科技活動(dòng)大眾化、日常化，我院陸續(xù)建立了機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新基地、電子信息創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等開放性實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生自主開展科學(xué)研究和科技競(jìng)賽活動(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)室空間和資源。但與教學(xué)型實(shí)驗(yàn)室相比，開放性實(shí)驗(yàn)室的人員和設(shè)備流動(dòng)性較大，開放時(shí)間長(zhǎng)，增大了實(shí)驗(yàn)室管理人員的設(shè)備管理工作量和安全監(jiān)管難度。因此，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全方位開放和實(shí)驗(yàn)室安全高效的管理已成為實(shí)驗(yàn)室管理人員亟待解決的重要問(wèn)題。在此背景下，本文基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)[12-14]。系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的自動(dòng)化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的效率和實(shí)驗(yàn)室智能化管理水平，滿足了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和安全管理對(duì)實(shí)時(shí)性和便捷性的要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由粘貼在設(shè)備上的電子標(biāo)簽、ZigBee終端節(jié)點(diǎn) （RFID讀寫器/閱讀器）、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器 （ZigBee/Ethernet網(wǎng)關(guān)）、應(yīng)用管理服務(wù)器等幾部分組成[6]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電子標(biāo)簽采用超高頻無(wú)源射頻標(biāo)簽[15]，內(nèi)部貯存設(shè)備的編號(hào)、規(guī)格型號(hào)、維修記錄、存放地點(diǎn)、價(jià)格等相關(guān)信息。終端節(jié)點(diǎn)的超高頻RFID讀寫模塊讀取輻射范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，經(jīng)由板載的ZigBee射頻模塊把RFID采集的設(shè)備信息發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)//協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器的控制信息并傳輸給RFID讀寫模塊。根據(jù)工作方式劃分，終端節(jié)點(diǎn)又可劃分為固定式RFID讀寫器和手持式RFID讀寫器兩類[5]。其中，固定式RFID讀寫器分布在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室入口處，主要負(fù)責(zé)設(shè)備出入定位，手持式RFID讀寫器用于日常設(shè)備巡檢和電子標(biāo)簽管理。ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器安裝于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)和以太網(wǎng)之間，收集來(lái)自各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳遞給以太網(wǎng)中的應(yīng)用管理服務(wù)器。通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZigBee數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng) TCP/IP數(shù)據(jù)包的透明傳輸，用戶無(wú)需訪問(wèn)無(wú)線傳感網(wǎng)中的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)就可以收集相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。應(yīng)用管理服務(wù)器負(fù)責(zé)通過(guò)以太網(wǎng)接口接收來(lái)自ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳輸來(lái)的設(shè)備數(shù)據(jù)，并保存在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)向ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出用于控制RFID讀寫模塊的命令。另一方面，服務(wù)器提供局域網(wǎng)web服務(wù)，方便實(shí)驗(yàn)室管理人員通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器查看設(shè)備記錄數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。

2.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器由以下部件構(gòu)成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射頻通信板、擴(kuò)展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和調(diào)試電路等，構(gòu)成微控制器最小系統(tǒng)。EMZ3118射頻通信板實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能。EMZ3118是上海慶科公司生產(chǎn)的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可編程應(yīng)用模塊，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的無(wú)線解決方案，其發(fā)射功率達(dá)到100mW，發(fā)射距離遠(yuǎn)，信號(hào)穩(wěn)定，可滿足低成本的無(wú)線傳感網(wǎng)需求。采用該模塊降低了使用STM32W108芯片時(shí)硬件設(shè)計(jì)的難度。擴(kuò)展底板上包含電源電路、以太網(wǎng)接口電路、液晶驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口結(jié)構(gòu)

EMZ3118整合了ZigBee射頻(RF)前端，帶有外部射頻功率放大器，最大傳輸功率輸出在-7～20dbm之間可編程，其視野范圍內(nèi)最大傳輸距離可達(dá)1.6km，RF數(shù)據(jù)速率250kb/s。模塊有36個(gè)輸出引腳，其中有24個(gè)GPIO輸出端口引腳，4個(gè)中斷端口引腳，6路12位A/D端口引腳，支持兩路串行接口（UART/SPI/I2C）。設(shè)計(jì)中EMZ3118模塊通過(guò)SPI接口與STM32F107VCT連接。模塊的外部功放是通過(guò)STM32F108W的4個(gè)引腳來(lái)控制，其中PA3口控制外部功放電源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模塊發(fā)射/接收操作模式，PA7控制輸出天線接口類型。

2.1.2 以太網(wǎng)接口電路

網(wǎng)關(guān)主控制器STM32F107VCT內(nèi)部已集成介質(zhì)訪問(wèn)控制器(MAC)，支持 10M/100M 的以太網(wǎng)通信，提供了MII和 RMII兩種接口模式。設(shè)計(jì)中主控芯片需要通過(guò)外部物理層接口芯片才能連接到物理層LAN總線。設(shè)計(jì)中使用DP83848VV，該芯片是TI公司生產(chǎn)的全功能低功耗10M/100M單端口物理層接口芯片。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中主控芯片和DP83848VV間采用RMII接口模式，這樣RMII數(shù)據(jù)收發(fā)上比MII接口少了一倍的信號(hào)線。RMII接口模式下要求的50M總線時(shí)鐘則由外部有源晶振SM7745DEV提供。網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)通信還需要RJ－45接口，設(shè)計(jì)中選用了漢仁公司的網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A，該網(wǎng)絡(luò)變壓器集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ－45接口，可滿足IEEE 802.3的電氣隔離要求，解決前端信號(hào)因衰減、損耗等原因引起的數(shù)據(jù)丟包、傳輸中斷等問(wèn)題，從而有效保障了無(wú)失真?zhèn)鬏斠蕴W(wǎng)信號(hào)，并抑制輻射發(fā)射。

2.1.3 人機(jī)交互接口電路設(shè)計(jì)

人機(jī)接口包括4個(gè)通用彩色LED指示燈，帶選擇鍵的4向操作桿，通用按鍵、喚醒鍵和入侵檢測(cè)按鍵，帶觸摸屏的3.2“TFT彩色LCD顯示屏。LCD顯示屏采用AM-240320D4TOQW，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器ILI9320，分辨率240(RGB)×320像素，可選SPI串行數(shù)據(jù)接口和18位RGB并行數(shù)據(jù)接口。設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)接口采用SPI接口，觸摸屏的4位數(shù)據(jù)接口通過(guò)外部I/O擴(kuò)展芯片STMPE811連接。

2.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)由主控制器、超高頻RFID讀寫單元、ZigBee射頻單元、液晶驅(qū)動(dòng)、溫濕度傳感器、鍵盤、調(diào)試電路等組成。基于成本考慮，終端節(jié)點(diǎn)的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射頻單元和人機(jī)交互電路與網(wǎng)關(guān)采用相同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中主控制器通過(guò)ZigBee無(wú)線接口接收服務(wù)器發(fā)送的指令并解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)超高頻RFID讀寫單元的控制和操作，同時(shí)將超高頻RFID讀寫單元所采集的信息無(wú)線傳輸給服務(wù)器。因此，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中超高頻RFID讀寫單元是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2.1 超高頻RFID射頻電路設(shè)計(jì)[8-9]

RFID射頻模塊采用超高頻RFID讀寫器專用芯片AS3993[3]。AS3993是奧地利微電子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID閱讀器芯片，實(shí)現(xiàn)了完備的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，在直接閱讀模式下兼容ISO 18000-6A/B標(biāo)準(zhǔn)。該芯片集成度高，集成了模擬前端和底層協(xié)議處理，內(nèi)置壓控震蕩器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收靈敏度達(dá)到90dB，支持跳頻、數(shù)據(jù)底層傳輸編解碼、數(shù)據(jù)組幀和循環(huán)冗余校驗(yàn)，具有低功耗的特點(diǎn)，并且對(duì)由天線反射回波等引起的干擾具有免疫效果。這對(duì)本文中移動(dòng)式巡檢器和固定式閱讀器的設(shè)計(jì)極其重要。因?yàn)樵赗FID讀寫器設(shè)計(jì)中，天線設(shè)計(jì)經(jīng)常遭受成本或尺寸限制。高靈敏度可使RFID讀寫器設(shè)計(jì)在達(dá)到自身要求的同時(shí)，可以使用更簡(jiǎn)單和便宜的天線，從而降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)難度。本文設(shè)計(jì)中把以AS3993為核心的閱讀器模擬前端設(shè)計(jì)成模塊，這樣模塊可以很方便的與控制器STM32F103通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)。設(shè)計(jì)中溫濕度傳感器采用SHT11，其內(nèi)置14位AD，串行數(shù)字輸出，相對(duì)濕度精度達(dá)到±3RH，溫度測(cè)量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口與控制器通訊。光強(qiáng)傳感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中斷輸出接口，可編程設(shè)置光強(qiáng)度上下閥值，其模擬增益和數(shù)字輸出可程控控制，適用于實(shí)驗(yàn)室光照控制和安全照明的應(yīng)用。

3 ZigBee無(wú)線組網(wǎng)策略[11]

ZigBee 有星型（Star）、樹型(Cluster Tree)和網(wǎng)狀（Mesh）三種組網(wǎng)方式。考慮到各個(gè)開放實(shí)驗(yàn)室分布在同一樓層的不同房間，覆蓋面廣，并且距離相距較遠(yuǎn)，需要ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個(gè)樓層，并具有較遠(yuǎn)的通信距離，同時(shí)要求ZigBee具有較高的可靠性和健壯性。綜合考慮三種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。各個(gè)安裝在實(shí)驗(yàn)室出入口的固定式閱讀器的ZigBee節(jié)點(diǎn)全部作為全功能設(shè)備，與分布在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各路由節(jié)點(diǎn)組成的的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)覆蓋了整個(gè)樓層，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和覆蓋范圍，便于移動(dòng)式巡檢器在整個(gè)樓層范圍內(nèi)的可靠有效工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件采用uCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)和外圍模塊底層驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層協(xié)議和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)等部分。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，應(yīng)用程序劃分為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制任務(wù)、文件管理任務(wù)、人機(jī)交互任務(wù)、Zigbee組網(wǎng)任務(wù)、WSN通信交互任務(wù)、以太網(wǎng)通信交互任務(wù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)等，由uCOS-II內(nèi)核統(tǒng)一調(diào)度管理。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)RFID設(shè)備數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)回傳網(wǎng)關(guān)。軟件可劃分為主程序和底層驅(qū)動(dòng)程序。。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括對(duì)AS3993工作模式、輸出功率等參數(shù)的設(shè)置，以及對(duì)Zigbee模塊的初始化設(shè)置。隨后請(qǐng)求加入Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，獲準(zhǔn)后控制AS3993發(fā)出讀寫標(biāo)簽命令，掃描是否有標(biāo)簽處于有效區(qū)域內(nèi)。如果有效區(qū)域內(nèi)有多個(gè)標(biāo)簽存在，則啟用時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法，讀取單標(biāo)簽有效數(shù)據(jù)。接著讀取終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，最后把讀取的數(shù)據(jù)回傳到網(wǎng)關(guān)。底層驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了AS3993和EMZ3118模塊的SPI接口驅(qū)動(dòng)。上層應(yīng)用程序通過(guò)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)AS3993和EMZ3118模塊的各種操作。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)布置5個(gè)固定式RFID閱讀器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)移動(dòng)式RFID閱讀器節(jié)點(diǎn)，5個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、1個(gè)協(xié)調(diào)器和一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，在我校機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新基地、電子信息創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能測(cè)試。5個(gè)固定式RFID閱讀器節(jié)點(diǎn)分布在5個(gè)實(shí)驗(yàn)室入口處，采用 3.3 V穩(wěn)壓電源供電，固定式節(jié)點(diǎn)中的Zigbee模塊設(shè)置為全功能設(shè)備，可作為路由節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)式閱讀器節(jié)點(diǎn)采用3V電池供電。4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)分布在同層樓道，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)相距40米，1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)布置在監(jiān)控室。通過(guò)測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的的最大無(wú)丟包通訊距離達(dá)到70米，100米范圍內(nèi)丟包率小于2%。在10米范圍內(nèi)，可以無(wú)丟包穿過(guò)普通墻壁和房門的阻擋。RFID閱讀器的讀寫距離在無(wú)遮擋條件下達(dá)到5米，可以滿足實(shí)驗(yàn)室日常設(shè)備定位的需要。在移動(dòng)時(shí)巡檢設(shè)備中，可以在3米范圍內(nèi)防碰撞對(duì)單一設(shè)備標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，滿足移動(dòng)巡檢設(shè)備需要。分布在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的誤差滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的自動(dòng)化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的效率和實(shí)驗(yàn)室智能化管理水平，滿足實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和安全管理對(duì)實(shí)時(shí)性和便捷性的要求。通過(guò)系統(tǒng)性能測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性和可行性，可為其他兄弟院校的實(shí)驗(yàn)室智能管理提供借鑒和參考。

［1］STMicroelectronics.UM0923 User manual EmberZNetTMapplicationdeveloper guide[OL].http://www.st.com/mcu,2010.

［2］Ember Corporation.EmberZNet Application Developer’s Reference Manual[OL].http://www.ember.com,2010.

［3］ams AG.AS3993_Datasheet_v2[OL].http://www.ams.com,2012.

［4］ams AG.Application Note AN13 Fermi Demo Reader-HW Description 1V0[OL].http://www.ams.com,2012.

［5］王淑君，吳軍，李磊.基于PDA的RFID手持機(jī)開發(fā)研究[J].光通信研究,2008(6)∶55-67.

［6］梁龍，王春雪.基于RFID和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的分布式考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012(7)∶15-16.

［7］郭瑞，李胤，王永超，劉久文.基于Zigbee技術(shù)的RFID裝備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2011(5)∶89-93.

［8］陳勇，陸遙.基于AS3992的超高頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)及仿真[J].半導(dǎo)體光電，2013(1)∶158-161.

［9］周曉光，王曉華，王偉.射頻識(shí)別RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真與應(yīng)用[M].北京人民郵電出版社，2008.

［10］侯金紅，陳建偉，文光俊，等.兼容ISO18000-6B/6C UHF RFID讀寫器軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011(A02)：166-168.

［11］趙敏，常杰，孫棣華.基于Zig Bee和ARM的分布式RFID信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011(12)∶105-108.

［12］田建勇.淺析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2012(12).

［13］馬建勛,楊國(guó)林.物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架構(gòu)在高校圖書館中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012(02).

［14］張海峰,沈媛萍.RFID技術(shù)在動(dòng)物識(shí)別與跟蹤管理中的應(yīng)用[J].青海畜牧獸醫(yī)雜志，2012(03).

［15］鐘一洋,劉興長(zhǎng),王悠.基于LEACH協(xié)議的WSN與RFID的融合技術(shù)在軍事物流中的應(yīng)用[J].中國(guó)儲(chǔ)運(yùn)，2012(05).